﻿#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <assert.h>
#include<vector>
#include<iostream>
using namespace std;
//枚举结点的颜色
enum Color
{
	Red,
	Black
};
//RBTree结点的定义
template<class K,class V>
struct RBTreeNode
{
	pair<K, V> _kv;
	RBTreeNode<K, V>* _parent;
	RBTreeNode<K, V>* _left;
	RBTreeNode<K, V>* _right;
	Color _col;
	//构造函数就行初始化
	RBTreeNode(const pair<K,V>& kv)
		:_kv(kv)
		,_left(nullptr)
		,_right(nullptr)
		,_parent(nullptr)
	{ }
};
//RBTree的定义
template<class K,class V>
class RBTree
{
	typedef RBTreeNode<K, V> Node;
public:
	//右单旋
	void RotateR(Node* parent)
	{
		//防止传入空指针
		assert(parent != nullptr);
		Node* subL = parent->_left;
		//如果是右旋，是必须有左孩子的
		//所以要再检查subL是否为nullptr
		assert(subL != nullptr);
		Node* subLR = subL->_right;
		//g的左孩子变成p的右孩子
		parent->_left = subLR;
		//p的右孩子变成g
		subL->_right = parent;
		//改变每个孩子的父母指向
		//h可能为0（即b和c可能不存在）
		//所以要先判断一下
		//p的右孩子存在
		if (subLR)
		{
			//p的右孩子的父亲变成g
			subLR->_parent = parent;
		}
		//其次还可能parent->_parent==nullptr
		Node* parentParent = parent->_parent;
		parent->_parent = subL;
		if (parent == _root)
		{
			subL->_parent = nullptr;
			//并把_root置为subL;
			_root = subL;
		}
		else
		{
			if (parentParent->_left == parent)
			{
				parentParent->_left = subL;
			}
			else
			{
				parentParent->_right = subL;
			}
			subL->_parent = parentParent;
		}
	}
	//左单旋
	void RotateL(Node* parent)
	{
		//防止传入空指针，导致空指针的解引用
		assert(parent != nullptr);
		Node* subR = parent->_right;
		//左旋必须有parent->_right，如果parent没有右孩子就会导致出错
		assert(subR != nullptr);
		Node* subRL = subR->_left;
		//先改变孩子的指向
		parent->_right = subRL;
		if (subRL)
		{
			subRL->_parent = parent;
		}
		subR->_left = parent;
		//我们先存储起来parent->_parent，不然很容易绕晕
		Node* parentParent = parent->_parent;
		parent->_parent = subR;
		//如果parentPrent不存在即parent==_root时
		if (parent == _root)
		{
			subR->_parent = nullptr;
			_root = subR;
		}
		else
		{
			if (parentParent->_left == parent)
			{
				parentParent->_left = subR;
			}
			else
			{
				parentParent->_right = subR;
			}
			subR->_parent = parentParent;
		}
	}
	//红黑树的插入
	bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		//红黑树是空树
		//结点置为黑色，并把根结点置为该结点
		if (_root == nullptr)
		{
			_root = new Node(kv);
			_root->_col = Black;
			return true;
		}
		//红黑树不是空树
		//先按照二叉搜索树的规则寻找位置插入
		Node* cur = _root;
		Node* parent = nullptr;
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first > kv.first)
			{
				//往左递归
				parent = cur;
				cur = cur->_left;
			}
			else if (cur->_kv.first < kv.first)
			{
				//往右递归
				parent = cur;
				cur = cur->_right;
			}
			else
			{
				//红黑树不支持插入相等的键
				//所以返回false
				return false;
			}
		}
		//现在已经找到该插入的位置了，且此时cur=nullptr
		//建立cur与parent之间的联系
		cur = new Node(kv);
		cur->_parent = parent;
		if (parent->_kv.first > kv.first)
		{
			//cur为parent的左孩子
			parent->_left = cur;
		}
		else
		{
			//cur为parent的右孩子
			parent->_right = cur;
		}
		//确定该结点的实际颜色
		cur->_col = Red;
		//只有parent存在且parent->_col==Red才继续循环
		while (parent && parent->_col == Red)
		{
			Node* grandfather = parent->_parent;
			if (grandfather->_left == parent)
			{
				Node* uncle = grandfather->_right;
				//u存在且为红
				//只变色
				if (uncle && uncle->_col == Red)
				{
					uncle->_col = parent->_col = Black;
					grandfather->_col = Red;
					//这个时候由于此子树的根结点还是红色的（要判断是否满足规则3）
					//这时候直接令cur=grandfather，因为其他结点已经处理完毕了
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				//u不存在或u存在且为黑
				else
				{
					if (parent->_left == cur)
					{
						//即以下类型
						//右单旋+变色
						//         g(黑)
						//   p(红)     u(不存在或为黑)
						//c(红)
						//是以grandfather为旋转轴进行的右单旋
						//所以参数不要传错了
						RotateR(grandfather);
						//旋转结果
						//         p(黑)
						//   c(红)     g(红)
						//                 u(不存在或为黑)
						//改变颜色
						parent->_col = Black;
						grandfather->_col = Red;
					}
					else
					{
						//即以下类型
						//    g
						// /     \    
						//p (红)  u(不存在或为黑)
						// \           
						//  c(红)
						//先进行左旋操作
						RotateL(parent);
						//再进行右旋操作
						RotateR(grandfather);
						//要求变成：
						//    c(黑)
						//  /    \
						// p(红) g(红)
						//         \
						//         u(不存在或为黑)
						//进行变色
						cur->_col = Black;
						grandfather->_col = Red;
					}
					//子树的根结点为黑色，已经不用继续往上判断
					break;
				}
			}
			else
			{
				Node* uncle = grandfather->_left;
				//u存在且为红
				//只变色
				if (uncle && uncle->_col == Red)
				{
					uncle->_col = parent->_col = Black;
					grandfather->_col = Red;
					//这个时候由于此子树的根结点还是红色的（要判断是否满足规则3）
					//这时候直接令cur=grandfather，因为其他结点已经处理完毕了
					cur = grandfather;
					parent = cur->_parent;
				}
				//u不存在或u存在且为黑
				else
				{
					if (parent->_right == cur)
					{
						//即为这种类型
						//                  g(黑)
						//u(不存在或为黑)          p(红)
						//                                c(红)
						//以grandfather为旋转轴的左单旋
						RotateL(grandfather);
						//旋转后变成这样
						//                        p(黑)
						//                 g(红)         c(红)
						//u(不存在或为黑) 
						parent->_col = Black;
						grandfather->_col = Red;
					}
					else
					{
						//即为这种类型
						//               g(黑)
						//             /    \
						//u(不存在或为黑)   p(红)
						//                  /
						//                 c(红)           
						//先进行右旋操作
						RotateR(parent);
						//再进行左旋操作
						RotateL(grandfather);
						//要求变成这样
						//                c(黑)
						//               /   \
						//             g(红)  p(红) 
						//            /
						//u(不存在或为黑)
						//进行变色
						grandfather->_col = Red;
						cur->_col = Black;
					}
					break;
				}
			}
		}
		//要注意规则2
		_root->_col = Black;
		return true;
	}
	//红黑树的查找
	Node* Find(const K& key)
	{
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first < key)
			{
				cur = cur->_right;
			}
			else if (cur->_kv.first > key)
			{
				cur = cur->_left;
			}
			else
			{
				return cur;
			}
		}
		return nullptr;
	}
	//红黑树的验证
	//前序递归遍历
	bool Check(Node* root, int blackNum, const int refNum)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			// 前序遍历⾛到空时，意味着⼀条路径⾛完了
			//cout << blackNum << endl;
			if (refNum != blackNum)
			{
				cout << "存在⿊⾊结点的数量不相等的路径" << endl;
				return false;
			}
			return true;
		}
		// 检查孩⼦不太⽅便，因为孩⼦有两个，且不⼀定存在，反过来检查⽗亲就⽅便多了
		if (root->_col == Red && root->_parent->_col == Red)
		{
			cout << root->_kv.first << "存在连续的红⾊结点" << endl;
			return false;
		}
		if (root->_col == Black)
		{
			blackNum++;
		}
		return Check(root->_left, blackNum, refNum)
			&& Check(root->_right, blackNum, refNum);
	}
	//主要函数
	bool IsBalance()
	{
		if (_root == nullptr)
			return true;
		if (_root->_col == Red)
			return false;
		// 参考值
		int refNum = 0;
		Node* cur = _root;
		while (cur)
		{
			if (cur->_col == Black)
			{
				++refNum;
			}
			cur = cur->_left;
		}
		return Check(_root, 0, refNum);
	}
	void InOrder()
	{
		_InOrder(_root);
		cout << endl;
	}

	void _InOrder(Node* root)
	{
		if (root == nullptr)
		{
			return;
		}

		_InOrder(root->_left);
		cout << root->_kv.first << " ";
		_InOrder(root->_right);
	}

private:
	Node* _root = nullptr;
};
//测试函数1
void TestRBTree1()
{
	RBTree<int, int> t;
	// 常规的测试用例
	//int a[] = { 16, 3, 7, 11, 9, 26, 18, 14, 15 };
	// 特殊的带有双旋场景的测试用例
	int a[] = { 4, 2, 6, 1, 3, 5, 15, 7, 16, 14 };
	for (auto e : a)
	{
		t.Insert({ e, e });
	}
	t.InOrder();
	cout << t.IsBalance() << endl;
}
//测试函数2
void TestRBTree2()
{
	const int N = 10000000;
	vector<int> v;
	v.reserve(N);
	srand(time(0));

	for (size_t i = 0; i < N; i++)
	{
		v.push_back(rand() + i);
	}

	RBTree<int, int> t;
	for (size_t i = 0; i < v.size(); ++i)
	{
		t.Insert(make_pair(v[i], v[i]));
	}
	cout << t.IsBalance() << endl;
}
int main()
{
	TestRBTree2();
	return 0;
}